Vorrichtung und Verfahren zur drahtlosen Daten- und Energieübertragung

Abstract

 Es ist ein Übertrager (Ü) vorgesehen, über den sowohl Energie in einer Richtung und Daten in beiden Richtungen übertragbar sind. Weiterhin sind Schaltungsmittel (A1,A2,P1,P2,Q1,Q2) auf beiden Seiten des Übertragers vorgesehen, die den Ablauf der Übertragung steuern und auswerten. Die Datenübertragung von der Primärseite auf die Sekundärseite wird durch eine kurze Unterbrechung einer primärseitigen Schaltstrecke während der Energiespeicherphase (ESP) vorgenommen, während die Datenübertragung in umgekehrter Richtung durch einen sekundärseitigen Belastungsimpuls während der Energiespeicherphase (ESP) vorgenommen wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung und Auswertung der im Patentanspruch 1 vorgesehenen Maßnahmen.

[0002] Die Übertragung von Energie von einem feststehenden Teil auf ein bewegliches Teil z.B. zum Betreiben von Schaltungselementen oder zur Positionierung eines Roboterarms wurde bisher weitgehend über elektrische Leitungen vorgenommen.

[0003] Die Energie beispielsweise vom Lenkstock zum Lenkrad im Kraftfahrzeugbau wurde bisher über Schleifkontakte oder eine Wickelfeder übertragen. Über eine solche Strecke können natürlich auch Daten übertragen werden. Der Nachteil einer derartigen Übertragung liegt u.a. in einem hohen Verschleiß der Teile, gegebenenfalls in der Erzeugung eines unangenehmen Geräusches oder in der Empfindlichkeit auf mechanische Verzögerungen oder Beschleunigungen.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem eine Übertragung von Energie sowie Daten zuverlässig möglich ist.

[0005] Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0006] Durch die DE-OS 41 20 650 ist eine Vorrichtung zur Übertragung von elektrischer Energie und Daten in Kraftfahrzeugen bekannt, bei der die im Lenkrad benötigte Energie auf induktivem Wege über Spulen eines Übertragers übertragen wird. Die Primärspule wird durch einen Schalter angesteuert, so daß sich nach dem Einschalten magnetische Energie aufbaut, die nach dem Abschalten in der Sekundärspule entladen wird, die zu einem Kondensator und einen Verbraucher geführt wird. Die elektrische Energie wird lenkradseitig über eine Gleichrichterschaltung in eine Gleichspannung umgewandelt und durch die lenkradseitige Elektronik geregelt. Die Höhe der übertragenen Leistung wird durch das Verhältnis von Einschalt-und Ausschaltzeit des Schalters bestimmt. Im geregelten Betrieb wird nur soviel Energie übertragen, wie auf der Lenkradseite benötigt wird. Dies geschieht durch Hin- und Herschalten zwischen verschiedenen Pulsbreiten.

[0007] Die Daten von der Lenkrad- zur Fahrerseite bzw. von der Fahrerseite zum Lenkrad werden über einen von der induktiven Energieübertragung unabhängigen Kondensator gesendet. Der Kondensator ist fahrzeug- und lenkradseitig an gleichartige Ansteuer- und Auswerteschaltungen angeschlossen, da Daten in beiden Richtungen übertragen werden. Der Kondensator ist koaxial zum Übertrager angeordnet.

[0008] Diese Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß zwei paralelle Übertragungsstrecken notwendig sind, um die Energie über eine Strecke und die Daten über eine zweite Strecke zu übertragen.

[0009] Der große Vorteil der Erfindung gegenüber der bekannten Vorrichtung besteht darin, daR auf eine zweite Übertragungsstrecke verzichtet werden kann. Während der Energieübertragungsphase können nun praktisch gleichzeitig, d.h. nur mit einer kurzen Unterbrechung der Energiespeicherung außerdem Daten in beiden Richtungen übertragen werden, was den hardwaremäßigen Aufwand einer solchen Übertragung verringert. Dieses sogenannte verschachtelte Übertragen kann natürlich auch während der Energieabgabephase vorgenommen werden, allerdings unter Einbüßung des Vorteils, daß während der Informationsübertragung auch Energie übertragen werden kann.

[0010] Die Erfindung wird nun anhand von fünf Figuren näher erläutert.

[0011] Es zeigen:

Fig. 1 eine Blockschaltung zur Übertragung von Energie und Informationsdaten über einen Übertrager;

Fig. 2A bis 2E den primärseitigen- und sekundärseitigen Strom- und Spannungsverlauf am Übertrager während der Energiespeicherphase und der Energieabgabephase;

Fig. 3A bis 3D die Informationsübertragung von der Sekundärseite auf die Primärseite anhand von graphischen Darstellungen;

Fig. 4A bis 4D die Informationsübertragung von der Primärseite auf die Sekundärseite anhand von graphischen Darstellungen; und

Fig. 5A bis 5B jeweils die Spannung an der Primärwicklung mit unterschiedlichen Synchronisationsmöglichkeiten.

[0012] Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist ein Übertrager Ü vorgesehen, der eine primärseitige (I) erste Wicklung L1 mit den Anschlüssen 1 und 2 und eine sekundärseitige (II) entgegen dem Wickelsinn der Wicklung L1 angeordnete zweite Wicklung L2 mit den Anschlüssen 3 und 4 aufweist. Der Übertrager Ü trennt primärseitig angeordenete Bausteine von sekundärseitig angeordneten elektrischen Bausteinen.

[0013] Auf der Primärseite liegt eine Versorgungsspannung U_B an einer Diode D1 an, die als Verpolungsschutz dient und die Versorgung mit einer eventuell falsch gepolten Versorgungsspannung verhindert. Ein sich anschließender Kondensator C1 dient zur Glättung der Spannung U_B. Am Anschluß 1 der Wicklung L1 liegen zwei in Reihe geschaltete Widerstände R1, R2 an, die an Masse geführt sind und einen Spannungsteiler bilden. Die Verbindung zwischen R1 und R2 ist an einen Prozesssor P1 geführt, der die Überwachung der Versorgungsspannung vornimmt. Weiterhin ist ein 5 Volt-Regler V1 vorgesehen, der ebenfalls mit dem Anschluß 1 der Wicklung L1 und mit Masse in Verbindung steht und eine geregelte Spannung an den Prozessor P1, weiterhin an eine Ansteuer- und Auswertelogik A1 sowie an ein CAN- oder ABUS- Interface OS liefert. Der Prozessor P1 und die Ansteuer- und Auswertelogik A1 sind untereinander mit einem Bus verbunden. Der Oszillator des CAN- oder ABUS- Interface OS taktet den Prozessor P1 und die Ansteuer- und Auswertelogik A1.

[0014] Am Anschluß 2 der Wicklung L1 ist ein Schalttransistor Q1 sowie damit in Reihe ein Widerstand R3 geschaltet, der an Masse endet. Der Schalttransistor Q1 wird durch die Ansteuer- und Auswertelogik A1 geschaltet, die auch den durch die Wicklung L1 fließenden Strom i₁₂ auswertet.

[0015] Auf der Sekundärseite II steht der Anschluß 3 der Wicklung L2 über eine Diode D2 und einen Glättungskondensator C2 wiederum mit einem 5 Volt-Regler V2, einem Spannungsteiler R4, R5, wobei die Verbindungsstelle zwischen R4 und R5 an einen Prozessor P2 geführt ist, und mit einem Airbag AB in Verbindung. Es ist weiterhin ein Bedien- und Anzeigefeld BAF sowie eine Ansteuer- und Auswertelogik A2 vorgesehen, die über Busse miteinander verbunden sind. Die Ansteuer- und Auswertelogik A2 ist sowohl an dem Anschluß 3 als auch an dem Anschluß 4 der Wicklung L2 angeschlossen, wobei an diesen Anschlüssen die Dioden D3 und D4 zur Spannungsbegrenzung angeschlossen sind. Der Anschluß 4 der Wicklung L2 liegt über einen Widerstand R6 und einem sich daran anschließenden Schalttransistor Q2 an einer sekundärseitigen Masse, wobei der Schalttransistor Q2 von der Ansteuer- und Auswertelogik A2 gesteuert wird.

[0016] Die Fig. 2 zeigt den primär- und sekundärseitigen Strom- und Spannungsverlauf am Übertrager während der Energiespeicherphase ESP und der Energieabgabephase EAP.

[0017] In Fig. 2A ist der Spannungsverlauf an der Primärwicklung L1 dargestellt. Zunächst beträgt die Spannung U₁₂ zwischen den Anschlüssen 1,2 der Wicklung L1 Null Volt, wenn der Transistor Q1 nichtleitend ist. Der Transistor Q1 ist zum Zeitpunkt t₀ leitend, wobei sich dann eine Spannung U₁₂ an der Wicklung L1 einstellt. In Fig. 2B ist der Stromverlauf in der Primärwicklung L1 dargestellt. Der Strom i₁₂ in der Wicklung L1 steigt nun im Zeitpunkt t₀ bis t₁ linear an, wobei der Strom an der Spannung über R3 erkannt und beim Überschreiten des Maximalwertes abgeschaltet wird (Fig. 2B).

[0018] Gemäß Fig. 2C, die den Stromverlauf in der Sekundärwicklung L2 zeigt, ist auf der Sekundärseite II der Strom i₃₄ in der Wicklung L2 Null. Während der Energiespeicherphase ist die Diode D3 leitend und die Diode D4 gesperrt, so daß am Anschluß 4 ein positiver Spannungsimpuls bezogen auf die Sekundärmasse entsteht. Damit ist es möglich, den Übertrager mit R6 und Q2 während dieser Phase zu belasten ohne eine negative Spannung zu benötigen. Die Dioden D2 und D4 sind während der Energieabgabephase leitend und die gespeicherte Energie kann abgegeben werden. Bei dieser Schaltungsanordnung wird keine zweite Sekundärwicklung benötigt.

[0019] Im Zeitpunkt t₁ wird nun der Transistor Q1 wieder nichtleitend. Damit wird die an der Wicklung L1 liegende Spannung U₁₂ nach dem Abschalten negativ. Der Strom i₁₂ in der Wicklung L1 fällt auf 0 A ab. Durch diese Strom- und Spannungsänderung auf der Primärseite I springt der Strom i₃₄ in der Wicklung L2 auf der Sekundärseite II auf seinen Maximalwert i_34max. Damit liegen die in Fig. 2D und 2E aufgezeigten Spannungen an der Sekundärwicklung L2. Der Strom i₃₄ fällt nun linear bis auf 0 A, wobei zu diesem Zeitpunkt t₃ die Energie abgegeben ist, was von der Zeitdauer der Energiespeicherphase zwischen t₀ und t₁ und der Belastung auf der Sekundärseite abhängig ist. Der Kondensator C2 hält die Spannung an der Sekundärwicklung L2 in etwa auf seinem Niveau (nach t₁), wodurch der 5 Volt-Regler ständig versorgt wird. Die Diode D2 verhindert, daß ein Strom während der Energiespeicherphasse in umgekehrter Richtung, d.h. in Richtung auf die Wicklung L2 fließt.

[0020] Demnach ist während der Energiespeicherphase ESP der Transistor Q1 in der Ein-Stellung (leitend) und der Transistor Q2 in der Aus-Stellung (nichtleitend), wobei dagegen während der Energieabgabephase EAP sich auch der Transistor Q1 in der Aus-Stellung befindet. Dies gilt jedoch nur, wenn keine Information übertragen wird. Die Steuerung dazu wird in der primärseitigen Ansteuer- und Auswertelogik A1 und in der sekundärseitigen Ansteuer- und Auswertelogik A2 vorgenommen und die Zeitdauer der Energiespeicherphase ESP hängt von der Energie ab, die auf der Sekundärseite II benötigt wird.

[0021] Als nächstes wird nun die Informationsübertragung von der Sekundärseite II auf die Primärseite I während der Energiespeicherphase ESP anhand von Fig. 3A bis 3D erläutert.

[0022] Wie schon in Fig. 2A gezeigt, liegt während der Energiespeicherphase ESP die Spannung U₁₂ an der Primärwicklung L1 und der Strom in der Sekundärwicklung i₃₄ ist Null (Fig. 2C). Während dieser Phase soll nun eine Information von der Sekundärseite II auf die Primärseite I übertragen werden. Dazu wird der sekundärseitige Transistor Q2 kurzzeitig eingeschaltet (leitend), wodurch ein Strombelastungsimpuls IBs aufgrund der Belastung in der Sekundärwicklung L2 entsteht (Fig. 3C). Dieser Strombelastungsimpuls IBs wird nun dem ansteigenden Strom in der Primärwicklung L1 überlagert (Fig. 3B), wodurch ein Stromimpuls Ip (Fig. 3B) in der Primärwicklung L1 entsteht. Dieser Impuls Ip wird nun in der Ansteuer- und Auswertelogik A1 ausgewertet, d.h., er wird einem (nicht gezeigten) Komparator in dieser Logik A1 zugeführt, wodurch die in Fig. 3D gezeigte Dateninformation DI entsteht. Die Fig. 3D zeigt die Stromauswertung auf der Primärseite I mit einem Komparator.

[0023] Als nächstes wird die Informationsübertragung von der Primär- auf die Sekundärseite während der Energiespeicherphase anhand von Fig. 4A bis 4D erläutert.

[0024] In Fig. 4 zeigt Fig. 4A den Spannungsverlauf an der Primärwicklung L1 zwischen den Anschlüssen 1 und 2, Fig. 4B den Stromverlauf i₁₂ in der Primärwicklung L1, Fig. 4C den Stromverlauf in der Sekundärwicklung L2 und Fig. 4D den Spannungsverlauf an der Sekundärwicklung am Anschluß 3.

[0025] Wie Fig. 4A zeigt, wird im Intervall t₀₁ bis t₀₂ die Energiespeicherphase kurzzeitig unterbrochen, d.h., die Ansteuer- und Auswertelogik A1 gibt einen Befehl an den Transistor Q1 aus, kurzzeitig zu öffnen (Q1 nichtleitend). Damit fällt in diesem Intervall der Strom in der Primärwicklung (Fig. 4B) auf Null. Damit entsteht in der Sekundärwicklung L2 im Intervall zwischen t₀₁ und t₀₂ der in Fig. 4C gezeigte Stromverlauf, der gegenüber der in Fig. 3D gezeigten Darstellung zu einem Spannungssprung in Fig. 4D führt, der sekundärseitig in der Ansteuer- und Auswertelogik A2 als Dateninformation ausgewertet wird.

[0026] Sorgt man nun dafür, daß die Spannungsunterbrechung (Fig. 4A) auf der Primärseite I und der Strombelastungsimpuls auf der Sekundärseite II zeitlich nicht zusammenfallen, läßt sich die Übertragungsstrecke im Vollduplexbetrieb betreiben. Die Übertragungsstrecke ist sehr niederohmig und damit nicht störanfällig.

[0027] Für die Informationsübertragung muß die Sekundärseite mit der Primärseite synchronsiert werden. Zur Erklärung wird nun auf Fig. 5 verwiesen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Synchronisation.

[0028] Eine erste Möglichkeit besteht darin, die positive Flanke F1 zum Zeitpunkt t₀ (Fig. 5A) auszunutzen. Dies setzt aber voraus, daß Eigenschwingungen des Übertragers diese Flanke nicht zu sehr verfälschen.

[0029] Eine zweite Möglichkeit besteht darin, einen Synchronimpuls während der Energiespeicherphase t₀ auszugeben (Fig. 5A), wobei die positive und negative Flanke F2, F3 zur Synchronisation verwendet werden können.

[0030] Wenn eine Information von der Primär- auf die Sekundärseite übertragen werden soll, so besteht eine weitere Möglichkeit zur Synchronisation (Fig. 5B) darin, die Dateninformation in einen Synchronimpuls ID und eine Dateninformation DI mit einem zeitlich vorbestimmten Abstand aufzuteilen, wodurch zur Synchronisation zwei Flanken F4, F5 zur Verfügung stehen.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung von Energie sowie von Daten,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Übertrager (Ü) vorgesehen ist, über den sowohl die Energie in einer Richtung und die Daten in beiden Richtungen übertragbar sind, und daß Schaltungsmittel (A1, A2, P1, P2, Q1, Q2) auf beiden Seiten des Übertragers vorgesehen sind, die den Ablauf der Übertragung steuern und auswerten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (Ü) eine primärseitige und eine sekundärseitige Wicklung (L1,L2) mit umgekehrtem Wickelsinn aufweist, wobei eine der Wicklungen (L1) ortsfest im Übertrager (Ü) angeordnet ist, während die andere Wicklung (L2) relativ dazu beweglich ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sekundärseite eine Diode (D2) vorgesehen ist, deren Anode mit einem Anschluß (3) der sekundärseitigen Wicklung (L2) verbunden und in Durchlaßrichtung an einen Spannungsregler (V2) geschaltet ist, daß die Kathode einer weiteren Diode (D3) an den Anschluß (3) der sekundärseitigen Wicklung (L2) angeschaltet ist und daß eine Diode (D4) vorgesehen ist, deren Kathode mit dem anderen Anschluß (4) der sekundärseitigen Wicklung (L2) verbunden ist, wobei der Anschluß (4) über einen Widerstand (R6) und einem Schalttransistor (Q2) mit der sekundärseitigen Masse verbunden ist, und wobei die Wicklungsanschlüsse (3) und (4) mit den Ansteuer- und Auswertemitteln (A2) in Verbindung stehen, über die ein sekundärseitiger Transistor (Q2) gesteuert wird.

4. Verfahren zur Steuerung und Auswertung der durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 vorgesehenen Maßnahmen, wobei die Energieübertragung von der Primär- auf die Sekundärseite durch Unterbrechung einer primärseitigen Schaltstrecke (Q1, R3) vorgenommen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
   die Datenübertragung von der Primär- auf die Sekundärseite durch eine kurze Unterbrechung einer primärseitig vorgesehenen Schaltstrecke während der Energiespeicherphase vorgenommen wird,
   die Datenübertragung von der Sekundär- auf die Primärseite durch einen sekundärseitigen Belastungsimpuls in der Zeit während der Energiespeicherphase vorgenommen wird;
wobei die Steuerung der Informationsübertragung über primärseitig und sekundärseitig vorgesehene Ansteuer- und Auswertemittel (A1, A2) vorgenommen wird, und wobei die Information sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite in mit je einem Prozessor in Verbindung stehenden Ansteuer- und Auswertemitteln (A1, A2) ausgewertet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragung von der Sekundärseite auf die Primärseite durch einen Belastungsimpuls (Transistor Q2 leitend ) auf der Sekundärseite bewirkt wird, wodurch ein Stromimpuls in der Primärwicklung (L1) hervorgerufen wird, der in den Ansteuer- und Auswertemitteln (A1) in einem Komparator ausgewertet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sekundärseite an einem durch die Widerstände (R4,R5) gebildeten Spannungsteiler die Spannung durch den Prozessor (P2) gemessen wird und diese als Dateninformation auf die Primärseite übertragen und geregelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuer- und Auswertemittel (A2) auf der Sekundärseite die Belastung so steuern, daß die Daten seriell übertragbar sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfreguenz auf der Primärseite und auf der Sekundärseite gleich ist und bei der Datenübertragung im Bereich von etwa 125 kHz liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Datenübertragung von der Primär- auf die Sekundärseite während der Energiespeicherphase der Spannungsimpuls (Fig. 4) kurzzeitig auf der Primärseite unterbrochen wird, was einen kurzzeitigen gegenphasigen Spannungsimpuls an der Sekundärwicklung zur Folge hat, wobei der dadurch hervorgerufene Strom in einem Komparator in den sekundärseitigen Ansteuer-und Auswertemitteln (A2) als Dateninformation ausgewertet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrechungszeitpunkt der Primärseite auf der Sekundärseite durch vorheriges Festlegen bekannt ist.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte der Spannungsunterbrechung auf der Primärseite mit dem Zeitpunkt des Belastungsimpulses auf der Sekundärseite zeitlich nicht zusammenfallen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte in der gleichen Schaltphase erfolgen (Vollduplexbetrieb).

13. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Daten in beiden oder in einer Richtung die Primärseite mit der Sekundärseite synchronisiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisation die positive Flanke (F1) zu Beginn der Energiespeicherphase ausgenützt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisation eine der beiden Flanken (F2, F3) des bei der primärseitigen Unterbrechung der Schaltstrecke entstehenden Impulses verwendet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenimpuls (Fig. 4,5) in einen Synchronimpuls und in einen Informationsimpuls aufgeteilt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des Regelbereichs der Energieübertragung die Daten nur in jeder zweiten Periode übertragen werden.

18. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfeste Wicklung mit der Lenksäule eines Kraftfahrzeuges und die bewegliche Wicklung mit dem Lenkrad eines Kraftfahrzeuges in Verbindung steht.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Übertragers dem Chassis des Kraftfahrzeuges zugeordnet wird, während die Sekundärwicklung dem Lenkrad zugeordnet wird.

Zeichnung